CN114171757B - 一种气液分离器及燃料电池*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气液分离器及燃料电池***，属于燃料电池技术领域。本发明的气液分离器及燃料电池***，气液分离器包括壳体，壳体包括分离腔及分别与分离腔连通的混合气进口、排气口和排水口，壳体还包括储水腔和辅助流道，储水腔包括储水段、导流段一和导流段二，储水段位于排水口下方，导流段一的两端分别连接分离腔和储水段，导流段二的两端分别连接储水段和排水口；辅助流道位于储水段上方，辅助流道的一端同时与导流段一及分离腔连接，另一端同时与导流段二及排水口连接。即使储水段内积存的水在低温环境中结冰，也不会堵塞排水口，新分离出的水还能从辅助流道流至排水口，解决了气液分离器在低温环境下容易出现堵塞而无法工作的问题。

Description

一种气液分离器及燃料电池***

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种气液分离器及燃料电池***。

背景技术

在燃料电池***停机后，电堆及其管路中存有一定的液态水及高温湿气体，随着温度的降低及***静态时间的延长，气体中有冷凝水析出并逐渐聚集在管路中流淌至***最低点，而目前主流的方案是将气液分离器置于***最低点，以使液态水最终流淌至气液分离器中，利用气液分离器对气液混合物进行气水分离，提高燃料气体利用率。

在现有的燃料电池***中，如图1所示，气液分离器的储水区1`设于分离腔2`的下方，气液混合物由混合气进口5`进入气液分离器，温度传感器3`与压力传感器4`均水平设置，并分别用于监测分离腔2`的气温和气压，分离后的气体由排气口6`排出，分离后的水由排水口7`排出，用于控制排水口7`开闭的排水电磁阀8`设于气液分离器最低处，分离后的液态水沿分离器内壁下行至储水区1`，储水区1`为沿竖直方向延伸的空腔结构，这种设计在低温环境下，容易出现储水区1`积存的液态水结冰，进而导致气液分离器堵塞，无法排水。并且，现有的气液分离器中的压力传感器4`大都采用横置的方式设置，容易出现液态水进入传感器腔体内或弹簧膜片上，导致传感器检测精度降低或直接损坏。此外，分离后的液态水与分离后的气体无明显隔离，如图2所示，在气液分离器运行过程中，存在气流卷吸现象，大量液态水在分离后会被重新卷吸至气体中，降低分离效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气液分离器及燃料电池***，可避免气液分离器在低温环境下因内部积水结冰而出现堵塞问题。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

一方面，提供了一种气液分离器，包括壳体，所述壳体包括分离腔及分别与所述分离腔连通的混合气进口、排气口和排水口，所述壳体还包括：

储水腔，位于所述分离腔下方，所述储水腔包括储水段、导流段一和导流段二，所述储水段位于所述排水口下方，所述导流段一的两端分别连接所述分离腔和所述储水段，所述导流段二的两端分别连接所述储水段和所述排水口；

辅助流道，位于所述储水段上方，所述辅助流道的一端同时与所述导流段一及所述分离腔连接，另一端同时与所述导流段二及所述排水口连接。

作为气液分离器的可选方案，沿水流方向，所述导流段一的横截面面积逐渐减小。

作为气液分离器的可选方案，所述导流段一与所述储水段连接处的横截面面积等于所述储水段的横截面面积。

作为气液分离器的可选方案，所述导流段一靠近所述导流段二的一侧的内壁倾斜设置，且所述导流段一远离所述导流段二的一侧的内壁竖直设置。

作为气液分离器的可选方案，还包括设于所述分离腔与所述储水腔之间的隔板，所述隔板开设有多个流道孔，所述分离腔与所述储水腔通过所述流道孔相连通。

作为气液分离器的可选方案，所述储水腔为U形。

作为气液分离器的可选方案，所述辅助流道的横截面面积小于所述储水段的横截面面积。

作为气液分离器的可选方案，还包括压力检测件，用于检测所述分离腔内的气压，所述压力检测件的中心线平行于所述分离腔的中心线设置。

另一方面，提供了一种燃料电池***，包括如上任一项所述的气液分离器。

作为燃料电池***的可选方案，所述储水腔(15)的所述储水段(152)的体积为V₁，则

N_混合为所述燃料电池***停机时阳极气体的最大总摩尔量；

Pvs为所述燃料电池***阳极水蒸气的最大饱和蒸气压；

P为所述燃料电池***阳极最大总气压；

M_水为水的摩尔质量；

ρ_水为水的密度。

作为燃料电池***的可选方案，所述燃料电池***停机时阳极气体的最大总摩尔量

P为所述燃料电池***阳极最大总气压；

V为所述燃料电池***阳极腔体的体积；

R为常数；

T为所述燃料电池***电堆运行最高温度。

作为燃料电池***的可选方案，所述燃料电池***阳极水蒸气的最大饱和蒸气压

a、b、c、d、f、g均为常数；

e为自然底数；

T为所述燃料电池***电堆运行最高温度。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的气液分离器及燃料电池***，相当于在分离腔与排水口之间并联设置储水腔和辅助流道，且储水腔的储水段设置于排水口的下方，辅助流道设置于储水段的上方，即使储水段内积存有一定量的水且该部分水在低温环境中结冰，也不会堵塞排水口，新分离出的水还能从辅助流道流至排水口，解决了气液分离器在低温环境下容易出现堵塞而无法工作的问题。

附图说明

图1为现有技术中的气液分离器的结构示意图；

图2为现有技术中的气液分离器产生气流卷吸现象的示意图；

图3为本发明实施例中气液分离器中气流及水流流向示意图；

图4为本发明实施例中气液分离器的结构示意图；

图5为本发明实施例中储水腔的结构示意图；

图6为本发明实施例中隔板的结构示意图。

附图标记：

1`、储水区；2`、分离腔；3`、温度传感器；4`、压力传感器；5`、混合气进口；6`、排气口；7`、排水口；8`、排水电磁阀；

1、壳体；11、分离腔；12、混合气进口；13、排气口；14、排水口；15、储水腔；151、导流段一；152、储水段；153、导流段二；16、辅助流道；2、旋风式分离器；3、隔板；31、流道孔；4、压力检测件；5、温度检测件；6、排水电磁阀。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

氢燃料电池***作为最常见的燃料电池***，广泛应用于交通工具。现有的燃料电池***，采用气液分离器对阳极排出的液态水和湿气体进行气水分离，以提高燃料气体利用率。在现有的气液分离器中，储水区为连接在分离腔与排水口之间的空腔结构，在低温环境下，储水区积存的液态水容易结冰，导致气液分离器堵塞。

对于氢燃料电池而言，气液分离器的分离效率对氢气的利用率至关重要，现有的气液分离器在运行过程中，存在气流卷吸现象，大量液态水在分离后会被重新卷吸至气体中，降低了分离效率。

如图3-6所示，为了解决上述问题，本实施例提供了一种气液分离器及燃料电池***，燃料电池***包括气液分离器，利用气液分离器对燃料电池阳极排出的水和湿气体混合物进行分离，并将分离出的燃料气体再次送回燃料电池***内再利用。需要说明的是，对于氢燃料电池***而言，气液分离器主要是用于对气态水、水雾、液态水和氢气的混合物进行气液分离，所用的气液分离器为气水分离器。

具体地，气液分离器包括壳体1，壳体1包括分离腔11及分别与分离腔11连通的混合气进口12、排气口13和排水口14，分离腔11内设有旋风式分离器2。如图3所示，图中粗实心箭头表示气水混合物流向，弧形实心箭头表示旋风式分离器2产生的强制旋风迹线，空心箭头表示分离后的燃料气体的流向，细实心箭头表示分离后的水的流向。由燃料电池***的阳极排出的气水混合物由混合气进口12进入壳体1内，经过旋风式分离器2分离后，分离出的水沿分离腔11的内壁下行，最终由排水口14排出，分离出的燃料气体由排气口13排出，最终被送回燃料电池***内再利用。

进一步地，壳体1还包括储水腔15和辅助流道16，储水腔15位于分离腔11下方，储水腔15包括导流段一151、储水段152和导流段二153，储水段152位于排水口14下方，导流段一151的两端分别连接分离腔11和储水段152，导流段二153的两端分别连接储水段152和排水口14；辅助流道16位于储水段152上方，辅助流道16的一端同时与导流段一151及分离腔11连接，另一端同时与导流段二153及排水口14连接。相当于储水腔15和辅助流道16并联设置在分离腔11与排水口14之间，且储水腔15的储水段152设置于排水口14的下方，辅助流道16设置于储水段152的上方，即使储水段152内积存有一定量的水且该部分水在低温环境中结冰，也不会堵塞排水口14，新分离出的水还能从辅助流道16流至排水口14，解决了气液分离器在低温环境下容易出现堵塞而无法工作的问题。

本实施例中，储水腔15的储水段152处于气液分离器的最低点，分离出的水会在重力作用下流入储水腔15并积存在储水段152，在低温环境下，经过阳极吹扫后，储水腔15内的水能全部经排水口14排出。随着燃料电池***停机后温度逐渐降低，燃料电池***冷凝出的液态水逐渐再次汇聚到储水腔15，当储水腔15内积存的水结冰时，辅助流道16仍然通畅，可实现低温冷启动排水。当燃料电池***启动后，并随着燃料电池***启动时间增加，气液分离器内部温度逐步升高，结冰的水逐渐融化，即可在吹扫气流作用下排出气液分离器。优选地，辅助流道16的横截面面积小于储水段152的横截面面积，在实现备用排水功能的同时，有利于缩小气液分离器的体积。

优选地，导流段一151、储水段152和导流段二153依次首尾相连形成U形的储水腔15，可促进储水腔15内的水在吹扫气流的作用下全部排出。

进一步地，沿水流方向，导流段一151的横截面面积逐渐减小，以使导流段一151沿吹扫气流方向呈进口大出口小的结构，可降低吹扫气体流速，液态水在重力作用下更容易汇集到储水腔15。进一步地，导流段一151与储水段152连接处的横截面面积等于储水段152的横截面面积，形成收缩结构，可提高吹扫气体流速，配合U形储水腔15的结构，可提升吹扫卷力，促进液态水全部排出气液分离器。

优选地，可将导流段一151靠近导流段二153的一侧的内壁倾斜设置，且将导流段一151远离导流段二153的一侧的内壁竖直设置，可对吹扫气流起到导向作用，有助于提升吹扫卷力。具体地，沿水流方向，辅助流道16的进水端连接于导流段一151的进水端，且辅助流道16的进水端位于导流段一151倾斜设置的内壁上，有助于分离后的水进入辅助流道16，辅助流道16的排水端连接于导流段二153的排水端，优选地，辅助流道16的中心线与排水口14的中心线重合，有利于辅助流道16内的水进入排水口14。

进入气液分离器的气液混合物，在分离腔11内被旋风式分离器2产生的强制旋风分离，为了避免分离后的液态水再次被气流卷吸，本实施例的气液分离器还包括设于分离腔11与储水腔15之间的隔板3，隔板3开设有多个流道孔31，分离腔11与储水腔15通过流道孔31相连通，分离后的水通过流道孔31流入储水腔15。利用隔板3对气流起到隔离作用，可大幅减弱卷吸作用，提高了分离效率。示例性地，流道孔31优选为圆形孔，便于加工。当然，流道孔31还可以为矩形孔、三角形孔，或其他异形孔，在此不作限定。

气液分离器还包括压力检测件4，用于检测分离腔11内的气压。示例性地，压力检测件4为压力传感器。现有技术中的气液分离器的压力传感器大都水平设置，分离腔11内的液态水容易进入传感器腔体内或弹簧膜片上，导致传感器检测精度降低或直接损坏。为了解决上述问题，本实施例中，压力检测件4的中心线平行于分离腔11的中心线设置，具体地，将压力传感器竖直设于壳体1的顶部。

气液分离器还包括温度检测件5，用于检测分离腔11内的气温。

气液分离器还包括排水电磁阀6，排水电磁阀6设于排水口14，在需要排水时，控制排水电磁阀6打开；无需排水时，控制排水电磁阀6关闭即可。

需要说明的是，分离后的水可在储水腔15的储水段152积存，为了保证储水腔15的储水段152既能够容纳燃料电池***停机后产生的最大冷凝水量，又不过度增大气液分离器的体积，本实施例中对储水腔15的储水段152的体积进行严格计算，计算过程如下：

首先，假设燃料电池***电堆运行最高温度为T，计算燃料电池***阳极水蒸气的最大饱和蒸气压Pvs，其中，a、b、c、d、f、g均为常数，示例性地，a＝-5800.2206，b＝1.3914993，c＝-0.048640239，d＝0.41764768，f＝-0.14452093，g＝6.5459673；e为自然底数。

进一步地，假设燃料电池***阳极最大总气压为P，燃料电池***阳极腔体的体积为V，根据气体理想方程，计算燃料电池***停机时阳极气体的最大总摩尔量N_混合，其中，R为常数。需要说明的是，燃料电池***阳极腔体的体积V为包括电堆阳极腔及与阳极腔连通的管路的总体积。

然后，根据道尔顿定理，计算燃料电池***停机时阳极气体中的水蒸气的摩尔量N_水，再换算出该水蒸气转换成液态水的体积V_水，其中，M_水为水的摩尔质量；ρ_水为水的密度。优选地，储水腔15的储水段152的体积V₁＝V_水，使得储水腔15的储水段152既能够容纳燃料电池***停机后产生的最大冷凝水量，又不过度增大气液分离器的体积。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (12)

1.一种气液分离器，包括壳体(1)，所述壳体(1)包括分离腔(11)及分别与所述分离腔(11)连通的混合气进口(12)、排气口(13)和排水口(14)，其特征在于，所述壳体(1)还包括：

储水腔(15)，位于所述分离腔(11)下方，所述储水腔(15)包括储水段(152)、导流段一(151)和导流段二(153)，所述储水段(152)位于所述排水口(14)下方，所述导流段一(151)的两端分别连接所述分离腔(11)和所述储水段(152)，所述导流段二(153)的两端分别连接所述储水段(152)和所述排水口(14)；

辅助流道(16)，位于所述储水段(152)上方，所述辅助流道(16)的一端同时与所述导流段一(151)及所述分离腔(11)连接，另一端同时与所述导流段二(153)及所述排水口(14)连接。

2.根据权利要求1所述的气液分离器，其特征在于，沿水流方向，所述导流段一(151)的横截面面积逐渐减小。

3.根据权利要求2所述的气液分离器，其特征在于，所述导流段一(151)与所述储水段(152)连接处的横截面面积等于所述储水段(152)的横截面面积。

4.根据权利要求2所述的气液分离器，其特征在于，所述导流段一(151)靠近所述导流段二(153)的一侧的内壁倾斜设置，且所述导流段一(151)远离所述导流段二(153)的一侧的内壁竖直设置。

5.根据权利要求1所述的气液分离器，其特征在于，还包括设于所述分离腔(11)与所述储水腔(15)之间的隔板(3)，所述隔板(3)开设有多个流道孔(31)，所述分离腔(11)与所述储水腔(15)通过所述流道孔(31)相连通。

6.根据权利要求1所述的气液分离器，其特征在于，所述储水腔(15)为U形。

7.根据权利要求1所述的气液分离器，其特征在于，所述辅助流道(16)的横截面面积小于所述储水段(152)的横截面面积。

8.根据权利要求1所述的气液分离器，其特征在于，还包括压力检测件(4)，用于检测所述分离腔(11)内的气压，所述压力检测件(4)的中心线平行于所述分离腔(11)的中心线设置。

9.一种燃料电池***，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的气液分离器。

10.根据权利要求9所述的燃料电池***，其特征在于，所述储水腔(15)的所述储水段(152)的体积为V₁，则

N_混合为所述燃料电池***停机时阳极气体的最大总摩尔量；

Pvs为所述燃料电池***阳极水蒸气的最大饱和蒸气压；

P为所述燃料电池***阳极最大总气压；

M_水为水的摩尔质量；

ρ_水为水的密度。

11.根据权利要求10所述的燃料电池***，其特征在于，所述燃料电池***停机时阳极气体的最大总摩尔量

P为所述燃料电池***阳极最大总气压；

V为所述燃料电池***阳极腔体的体积；

R为常数；

T为所述燃料电池***电堆运行最高温度。

12.根据权利要求10所述的燃料电池***，其特征在于，所述燃料电池***阳极水蒸气的最大饱和蒸气压

a、b、c、d、f、g均为常数；

e为自然底数；

T为所述燃料电池***电堆运行最高温度。